不同种类生物质的燃烧特性分析.doc

不同种类生物质的燃烧特性分析摘要：通过热重分析方法研究了不同种类的生物质在不同燃烧条件下的燃烧过程及其动力学特性。在升温速率分别为20、30和40min，加热终温900的条件下，得到了不同种类的生物质燃烧的TG、DSC曲线，研究了加热速率和含氧量对燃烧过程的影响，建立了生物质燃烧的反应动力学方程，由Coats-Redfern积分法得到了生物质燃烧动力学参数，分析了不同试样的活化能和频率因子。随着化石能源日趋减少和人类大量使用矿物燃料带来的环境问题日益严重，特别是近几年石油和煤炭价格直线上升，迫使各国政府开始关心、重视替代能源生物质能源的开发利用。我国生物质资源丰富，仅农作物秸杆年产量就达6亿t以上，并且生物质是一种可再生能源，资源丰富，品种多样。生物质能最常用的利用方式还是直接燃烧，而大规模的集中燃烧包括用于工业炉燃烧和与煤炭混烧。因非等温热重试验可以消除样品间的误差，所以文章对不同种类的生物质在氮气与氧气混合气氛中进行了不同升温速率下的非等温热重试验。并采用Coats-Redfern法得到了反映各种生物质燃烧特性的动力学参数，为设计和开发燃烧不同种类的生物锅炉提供理论支持。1实验试验采用的生物质分别为加工过的锯末颗粒、刨花颗粒、稻壳颗粒和秸秆颗粒以及未加工的锯末和稻壳，在进行试验之前将样品磨细并混合均匀。试样粒径小于100目，每次称取试样150.5mg。生物质工业分析见表1。生物质的热重分析采用的仪器是由德国耐驰公司生产的409PC热重分析仪。仪器测定的温度范围：201550，加热速率范围：0.150Kmin。试样的起始温度为35，终止温度为900，升温速度为20、30和40min，载气为氮气与氧气混合气体，氧气含量为15、20和33。2结果与分析2.1实验结果生物质燃料具有高的含氧量和高的有机挥发分，将在燃烧阶段产生大量的挥发物气体。既发生在燃料加热热解过程释放的挥发分气相燃烧，同时在焦炭氧化过程发生固体多相燃烧。挥发分的燃烧非常迅速，几乎同挥发分析出速度一样，而焦炭的氧化则要慢得多。生物质燃烧可分为3个阶段，第1个阶段为脱水阶段，第2个阶段为挥发分析出燃烧阶段，第3个阶段为焦炭燃烧阶段。2.1.1生物质颗粒在不同升温速度下的燃烧特性助燃气体为含氧量为20的氧气与氮气混合气体，由生物质颗粒在不同升温速度的条件下燃烧的TG和DSC曲线可知，升温速度对生物质颗粒燃烧有较大的影响。随着升温速度不断增加，不同种类的生物质颗粒的燃尽温度都有所增加。生物质颗粒的燃烧最终残余物质量也随着升温速度不断提高开始增加，但是增加的幅度不是很明显，其中当升温速度设置为20min-1时，生物质颗粒的燃烧最终残余物质量最大。升温速度的提高使生物质的失重速率也随之提高。升温速度为30min-1时的失重速率远远大于其他2种升温速度，TG曲线也比其他2种更为光滑。升温速度对于生物质颗粒的DSC曲线也有明显的影响。在采取较低的升温速度时，不同种类的生物质燃烧都呈现出2个明显的放热峰。随着升温速度的不断提高，原本2个较为明显放热波峰开始相互重叠。第一个放热波峰出现时的温度开始增加。其中锯末颗粒，在升温速度为20min-1时，2个明显的放热波峰已经变为1个放热峰。其他3种的生物质颗粒的DSC曲线在升温速度为30min-1时，2个放热波峰已经不是很明显了，其中秸秆颗粒的DSC曲线的放热波峰几乎变为1个。2.1.2生物质颗粒在不同氧含量中的燃烧特性由升温速度为20min-1，不同种类的生物质颗粒在含氧量分别为15、20、33时燃烧的TG和DSC曲线可以，不同的含氧量对生物质颗粒燃烧的TG和DSC曲线较为明显的影响。助燃气体中的含氧量不断增加，使不同种类的生物质颗粒的燃尽温度都有所降低。而对于不同种类的生物质颗粒的燃烧最终残余物质量的影响则不尽相同。含氧量的变化对于锯末颗粒和稻壳颗粒最终残余物质量影响较小，这两种生物质颗粒的最终残余物质量基本保持不变。而对于刨花颗粒，燃烧在含氧量为20时的最终残余物质量最大。秸秆颗粒随着含氧量的不断提高，最终残余物质量也不断增大，在含氧量为33时达到最大。含氧量的不同对于失重速率的影响也有所不同，锯末颗粒、刨花颗粒和稻壳颗粒随着含氧量的增加，失重速率也不断加大。其中，刨花颗粒和稻壳颗粒的失重速率在含氧量为15和20时变化不大。但是当含氧量提高为33时，这两种生物质颗粒的失重速率明显变大。含氧量的提高对秸秆颗粒的失重速率的影响则较小，秸秆颗粒的失重速率基本保持不变。含氧量对于生物质颗粒的DSC曲线有明显的影响。助燃其他的含氧量不断增加，不同种类的生物质颗粒的放热峰值也随之不断提高，当含氧量为33时，生物质颗粒燃烧的放热峰值达到最大。而放热峰值达到最大时的温度也随含氧量的增加逐渐降低，在含氧量为33时，温度最低。含氧量的不同，对于不同种类的生物质颗粒的DSC曲线的波峰的影响也不相同。含氧量的变化对锯末颗粒的DSC曲线的波峰影响较小，锯末颗粒的DSC曲线始终呈现1个放热波峰。刨花颗粒在含氧量较低时，DSC曲线呈现出2个明显的放热波峰。而在含氧量为33时，则只有1个放热波峰。稻壳颗粒的DSC曲线的放热波随着含氧量增大，开始变陡，放热速率逐渐增大。随着含氧量的增加秸秆颗粒的DSC曲线的放热波峰，逐渐明显起来。而它的放热峰值在含氧量为33，达到最大。2.1.3经过加工的生物质颗粒与未加工过的生物质的燃烧特性比较燃烧环境：升温速度为20min-1，助燃气体的含氧量为20。由不同加工工艺的生物质燃烧的TG和DSC瞌线可以，生物质是否经过加工处理，其燃烧的特性曲线有明显的区别。锯末经过加工成型处理之后，TG曲线较比未经过加工处理的更为光滑。锯末的DSC曲线也有明显变化。未经过加工处理的锯末的DSC曲线呈现2个明显的放热波峰，而经过加工成型处理之后，锯末DSC曲线则有1个明显的放热波峰。经过加工成型处理的稻壳和未加工的稻壳的TG曲线有较明显区别。经过加工后的稻壳的燃烧最终残余物质量，要远远小于未加工的稻壳，而且经过加工的锯末的燃尽温度也要比未加工的锯末有所提高。稻壳的DSC曲线区别也比较明显。未经过加工处理的锯末的DSC曲线呈现2个明显的放热波峰，第1个放热波峰和第2个放热波峰差别较大。而经过加工成型处理之后，锯末DSC曲线有2个相差不大的放热波峰。2.2生物质的动力学特性参数2.2.1生物质燃烧动力学模型生物质颗粒燃料燃烧动力学模型的动力学参数是随试验条件改变的，这就要对每一个热重试验先做出燃烧动力学试验曲线，以求得E、A值，来求出燃烧动力学模型。热分析动力学研究大都基于这样一个最基本假设：2.2.2燃烧动力学参数求解实验所得不同种类的生物质颗粒在不同的燃烧状态的燃烧动力学常数见表2。3结论(1)不同升温速度对生物质的燃尽温度和最终残余物质量有影响，升温速度越快，燃尽温度越高，最终残余物质量也越大。(2)生物质在燃烧过程中一般有2个反应阶段。第1个阶段是挥发分的燃烧。第2个是焦炭的氧化。但是升温速度的提高和含氧量的提高，可以这两个阶段也不断相互重叠，二者的区别不断减。(3)助燃气体中的含氧量对生物质的燃尽温度有一定影响，但是对于最终残余物质量的影响，不同种类的生物质试样不尽相同。(4)不同种类的生物质燃烧动力学参数表明在不同燃烧条件下，生物质燃烧动力学参数不尽相同。10